高分辨电阻率成像在铁路勘察中的应用

王思桐, 李 坚, 曹礼刚, 曹云勇, 雷旭友, 魏栋华, 何兰芳

(1. 成都理工大学 地球物理学院，成都 610059； 2 .中铁二院工程集团 物探所，成都 610031； 3 .中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029)

高分辨电阻率成像在铁路勘察中的应用

王思桐1, 李 坚2, 曹礼刚1, 曹云勇2, 雷旭友2, 魏栋华2, 何兰芳3

(1. 成都理工大学 地球物理学院，成都 610059； 2 .中铁二院工程集团 物探所，成都 610031； 3 .中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029)

介绍了两个高密度电阻率成像技术在中国西南铁路勘察中的应用实例。数据采集采用supersting○RR8 / IP高密度电法仪，采用5m道距，每个排列84道。依据野外装置试验结果，固定测量电极(MN)的施伦贝尔排列方式，随供电电极距(AB)增大，采集的数据质量变差，因而采用不同测量偶极距的施伦贝尔排列。在XM的应用实例中，高密度电阻率成像成功探测了喀斯特地貌区的浅地表结构，查明暗河和多处溶洞，探测结果表明：暗河区发育较大范围的低阻，岩溶主要表现为低阻圈闭特征。在DF的实例中，高密度电法主要用于探测隐伏的煤层和采空区，结果表明：煤层和软质岩类具有明显的低阻特征，在灰岩区有显著的电阻率差异，但由于煤层和采空区都呈现显著的低阻特征，因而高密度电法在探测煤层中的小采空区依然有较大的难度。试验结果表明，即便采用0.5m的道距，依然难以圈定采空区的形态和精确位置。

高分辨电阻率成像； 勘察； 暗河； 煤采空区； 中国西南

0 引言

喀斯特地貌和煤系地层在中国西南部非常发育[1]。在四川和贵州交界处更是发育了大量的岩溶和蜂窝状煤矿，其中的许多煤层几十年来一直被开采，留下了大量的未知采空区，这给工程建设带来了风险。在喀斯特地区，溶洞和地下暗河也经常困扰着工程建设，高铁建设对近地表勘察的要求更高[2-3]。因而在岩溶发育区，近地表地球物理勘察在保证工程建设安全中起着至关重要的作用。工程物探技术对一些规模较大采空区和岩溶有一定的探测效果，但对小尺度的岩溶和采空区(如只能容纳一个矿工煤层采空区)，依然是近地表地球物理中难题。

在中国西南部铁路近地表勘察中，使用过多种地球物理方法，但是有些方法效果并不理想，难以满足工程地质的要求。地震反射和折射在山区和碳酸盐地区的效果受到明显的干扰；高频电磁法的分辨率相对较低且容易受到干扰；常规的直流电阻率测深工作效率低、周期长。高密度电法以研究地下介质体电阻率差异为地球物理基础，与常规电阻率法相比具有明显优势，关于这种方法的勘探思想源于70年代末期，英国学者所设计的电测深偏置系统为高密度电阻率法的最初模式[4]。高密度电阻率法因其简便性和有效性被广泛使用，该方法被用来确定近地表电阻率的空间分布，在20世纪90年代，数字数据采集系统被开发出来，它利用数十个甚至几百个电极之间的自动切换电极组，使探测技术与结果描述得到进一步提高[5-13]。

由于有较高的分辨率和施工效率，高分辨电阻率成像技术在CG高速铁路近地表调查中，被广泛应用于岩溶和其他地质灾害调查。笔者介绍其中的2个应用实例：①高分辨电阻率成像在暗河探测中的应用；②煤田采空区和岩溶调查中的应用。高分辨电阻率成像技术在两个实例中均取得较好的勘察效果，部分成果被后期的钻探和工程地质证实。

1 高密度电法的基本原理

高密度电法是一种以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场下的地下传导电流分布规律，它集电剖面法和电测深法为一体，采用高密度布点，高密集采样，多次覆盖，进行二维地电断面测量的一种电阻率法勘查技术。

利用计算机对采集的多种参数进行数据转换、地形校正和反演成像。高密度电法具有一次完成电极布设、能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量、实现野外采集的自动化、数据的预处理并显示剖面形态、低成本高效率方便实用的特点[10-12]。

2 数据采集与处理

数据采集使用一套Supersting○RR8 /IP仪器，采用施伦贝尔装置，部分采用偶极-偶极装置。接收电极道距为5m，每排列采用4缆共84道采集，电极采用不锈钢电极，由采集系统集中控制电流和电压。为了选择合适的采集装置，进行了现场试验(图1)，两种方法的测试结果大致相同，但在细节上存在差异。在浅层，施伦贝尔结果有更高的分辨率；在深层，偶极-偶极排列方式分辨率相对较高。施伦贝尔排列分辨率差的原因是使用了固定的MN间隔，而这种固定的MN间隔排列在深层的数据质量较差。因此，我们采用了改变原测量(MN)偶极距的施伦贝尔排列方式。数据处理采用基于施伦贝尔和温纳法的解释而提出的佐迪方法进行二维反演。它的原理是通过不断调整初始模型参数使正演曲线与实际曲线之差达到最小，由此所得的最终模型作为反演结果。本次数据处理使用软件Earthimager2D是以平滑约束最小二乘法为基础，通过拟牛顿最佳拟合技术为准则的最小二乘法来实现。

图1 施伦贝尔和偶极-偶极装置的反演结果对比Fig.1 Comparison of the inversion result from Schlumberger and dipole-dipole array in the same section(a)采用施伦贝尔装置的测试结果；(b)采用偶极-偶极装置的测试结果

图2为一个已知的0.5 m废弃煤层采空区的高密度电阻率成像结果，从图2中可以看出，反演剖面的边界和埋深都难以由高密度电法精确反演，但煤层采空区电阻率明显降低。

图2 煤矿采空区ERI剖面Fig.2 A testing ERI section over a known coal goaf

3 XM暗河应用实例

工作区位于贵州省西北部，为高原溶蚀低丘洼地地貌，丘包与洼地相间，丘包低缓，洼地平缓，丘包基岩裸露，洼地被土覆盖。工作区范围内覆土为第四系洪坡积黏土，坡残积弱膨胀土。下伏基岩为三叠系中统关岭组二段(T2g)灰岩夹泥质灰岩。依据钻探结果，覆盖层的厚度为2 m～3 m，基岩为弱风化、岩质较硬、断口新鲜、岩芯完整的灰岩。探测目标为高铁大桥通过路段的岩溶与暗河，地面调查已经发现河流的入口，但不能知道地下河道的位置。

野外采得了长510m的高密度电阻率成像剖面，共布置105道，道距为5m，探测深度约为80 m，反演电阻率剖面如图3所示。从图3中可以看出：在海拔1 200 m～1 210 m、200 m～300 m之间发育明显的低阻异常区，结合地质资料，推测其中心部分为暗河(Ground river)的反映，该结果已得到后期钻探的验证。存在的另一个低电阻率异常在380 m～450 m位置，被推测为半填充溶洞(Half-filled cave)。

图3 XM地下暗河的高分辨电阻率成像技术剖面图Fig.3 High resolution resistivity imaging section in XM ground river

4 DF工作区的应用实例

DF工作区为一个历史采空区，附近的小煤窑或煤洞已开采了几十年，留下了大量的未知采空区。工作区属高原溶蚀、剥蚀低丘地貌，丘间槽地、溶蚀洼地较发育，地形起伏、斜坡陡缓差异较大，缓坡地表多为旱地，无规律分布有较多的废弃小煤窑。上覆第四系全新统坡残积(Q4dl+el)粉质黏土，下伏基岩为二叠系上统龙潭组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹炭质页岩及煤层(P2l)。下统茅口组(P1m)灰、浅灰、灰白色，厚层、巨厚层至块状，含白云质斑块灰岩，夹燧石结核灰岩、燧石灰岩。钻井和地面调查表明，近地表基岩包括煤、泥岩、泥质粉砂岩、风化的石灰岩、侵蚀的灰岩到新鲜的灰石化。为了调查含煤地层、采空区和松软岩层，沿线路方向部署了三条高密度电法剖面，垂直线路方向部署了7条断面，共包含2 016个测点。

图4为DF工作区典型剖面的高密度电阻率成像结果。图4(a)表示这部分地层的地电结构总体上是从低-高-低-高、低-高、到高-低-高变化，钻井揭示的第一层为泥质粉砂岩，底部为新鲜的灰岩，具有高阻薄层特点，这种高阻薄层使用其他地球物理方法(如电磁法)很难发现，因为直流电方法对高电阻率层较敏感，有较好的探测效果。第二层低阻层也是泥质粉砂岩，钻井没有钻到深部电阻率相对较高的地层，推测为灰岩。值得关注的是，由于其电阻率低于完整的灰岩，该层的灰岩可能不完整。根据实测和钻探结果，煤层也具有低电阻率的特征，与泥质粉砂岩差别不大。钻探发现，这里的泥质粉砂岩黑而软，与煤层有相似的特征，这可以解释它们电阻率的相似性。在基岩的分类上，泥质粉砂岩和煤层一起被归为软岩层。图4(b)显示了含煤地层和其他岩石的分类，很明显，右边部分的基岩有高电阻率特征，极少发育低电阻率异常，基于这一特征，将其归类为碳酸盐岩，有新鲜或轻微风化。左边基岩具有低电阻率特征，部分发育高阻，低电阻率部分被解释为隐伏的煤岩，最低的部分被认为是潜在的采空区。

利用高分辨电阻率成像技术探测煤层采空区仍然是困难的，究其原因在于煤层与采空区之间电阻率差异很小。并且，在中国西南部，煤层和采空区总是充满了水，使围岩的电阻率显著降低，这是在DF工作区采空区显示低电阻率的原因。

5 结论

由于高密度电阻率法具有较高的分辨率和施工效率，以高分辨电阻率成像为主要特征的高密度电阻率法被广泛应用于近地表地球物理勘察，在喀斯特岩溶发育区和其他地质灾害调查中都有较好的效果。两个应用实例表明，高分辨电阻率成像对于岩溶探测具有显著的效果，在煤层和软质岩探测中也有较好的效果。已知采空区和DF工作区的结果都表明，由于煤层和采空区之间的物性差异较小，采用高密度电阻率成像技术精确圈定采空区的形态和位置，在现阶段还有较大的难度。

图4 DF区电阻率成像结果Fig.4 The ERI inversion result in DF working area(a)钻井与岩层电阻率成像对比图；(b)含煤岩层成像图

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Application of high resolution resistivity imaging for railway near-surface investigation

WANG Sitong1, LI Jian2, CAO Ligang1, CAO Yunyong2, LEI Xuyou2, WEI Donghua2,HE Lanfang3

(1. Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group,Chengdu 610031,China; 3. Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Two case histories of mapping the near surface for railway route investigation in SW China using high resolution resistivity imaging (ERI) are presented in the paper. A set of SuperSting○RR8/IP was used for data acquisition. Four cables with 84 passive stainless steel electrodes spaced 5 m apart were used. Based on the testing result, schlumberger with varied MN was used in data acquisition. The Schlumberger array with fixed MN as one trace space has poor data quality in while AB is move far from MN stakes. Case history in XM indicates that ERI could be successfully used for mapping the near surface in karst area, the underground river is characterized by lower risistivity, most karst caves features as low resistivity traps. Case history in DF indicate that ERI could be successfully used for mapping the coal bearing rocks and soft rocks, but it is hard to use ERI to shape and locate the coal goafs, even using the trace space as little as 0.5 m.

high resolution resistivity imaging; route investigation; ground river; coal goaf; SW China

2017-02-27 改回日期：2017-03-27

王思桐(1995-)，男，本科，主要从事勘查技术与工程，E-mail：1324921461@qq.com。

曹礼刚(1976-)，男，博士，从事地球探测与信息技术研究， E-mail:1296933@qq.com。

1001-1749(2017)02-0219-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.10